Thiết kế kỹ thuật bộ điều khiển, giám sát cho trạm phát điện sự cố tàu thủy sử dụng vi điều khiển

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Sự phát triển cơng nghệ đóng tàu giới nói chung Việt Nam nói riêng mạnh mẽ, với phát triển không ngừng khoa học, kỹ thuật đặc biệt lĩnh vực điện, điện tử, tin học tự động hoá [3], [9], [10], năm gần làm tăng khả ứng dụng thiết bị vào hệ thống điện năng, việc sử dụng rộng rãi thiết bị bán dẫn vi mạch hệ thống đo lường, bảo vệ điều khiển tự động hệ thống điện, việc ứng dụng khoa học kỹ thuật tự động hoá tất yếu Trong lĩnh vực giao thông đường biển, việc ứng dụng khoa học kỹ thuật tự động hoá tàu thuỷ [1], [2], [8], khơng nằm ngồi phát triển chung đó, đặc biệt hệ thống tự động điều khiển giám sát bảo vệ trạm phát điện cố tàu thuỷ [1], [2] Khi hành trình tàu khơng có hỗ trợ từ bên ngồi hệ số dự trữ, độ tin cậy hệ thống có ảnh hưởng mức độ khác đến tàu, an toàn cho người tùy thuộc hệ thống đặc biệt hệ thống cung cấp nguồn lượng cố để đảm bảo nguồn điện liên tục cho tàu điều tối quan trọng [1], [2] nguồn điện hệ thống trạm phát bị gián đoạn cố làm cho trình điều khiển hoạt động tàu khơng thực gây hậu lớn không khắc phục kịp thời như: Khi tàu hành trình biển mà điều kiện thời tiết xấu tàu bị thả trơi chìm, tàu chạy luồng hẹp bị đâm va vào tàu khác, vào cơng trình hai bên bờ luồng Các cố gây nguy hiểm đến tính mạng người Mặt khác với phát triển áp đảo điều khiển lập trình phần điều khiển giám sát tổ hợp Diesel - Máy phát điện cố điều khiển cách tối ưu Với phần mềm giám sát đảm nhiệm chức lưu trữ số lần khởi động máy, cố phân tích chúng đưa cảnh báo để giúp người vận hành kịp thời bảo dưỡng, sửa chữa nhằm tránh cố đáng tiếc xảy Tuy nhiên hầu hết thiết bị lắp ráp tàu tổ hợp máy móc hệ thống điều khiển nói chung trạm phát điện cố nói riêng thiết bị nhập ngoại, từ cơng ty nước ngồi giá thành cao, chưa tận dụng nhiều khả nội địa hoá Vì lý mà việc nghiên cứu hệ thống điều khiển bảo vệ trạm phát điện cố tàu thuỷ để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, đồng thời tăng tỷ lệ nội địa hoá, giảm giá thành sản phẩm việc cần thiết, quan trọng thiếu hệ thống điện cố tàu thuỷ phù hợp tình hình kinh tế kỹ thuật nước ta Nếu xây dựng mơ hình có phần mềm riêng tự chế tạo sản phẩm với giá thành rẻ, số lượng lớn, từ ứng dụng vào thực tiễn sản xuất, học tập nghiên cứu Đồng thời góp phần vào cơng đại hố ngành tàu biển, đất nước mong muốn sử dụng sản phẩm người Việt Nam Xuất phát từ thực tế mà tác giả thực đề tài: " Thiết kế kỹ thuật điều khiển, giám sát cho trạm phát điện cố tàu thủy sử dụng vi điều khiển " Mục đích đề tài Đề tài thành công ứng dụng vào việc chế tạo điều khiển, giám sát trạm phát điện cố phục vụ đóng tàu nước, ứng dụng vào cơng tác thí nghiệm thực hành giảng dạy trường Cao Đẳng Hàng hải I Ngoài sở để thực chương trình nghiên cứu để phát triển theo qui mô lớn Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu luận văn điều khiển, giám sát trạm phát điện cố tàu thủy sử dụng vi điều khiển Phạm vi nằm chương trình nghiên cứu chung khả ứng dụng thiết bị đại cho trạm phát điều khiển giám sát, tự động hóa tàu thủy: - Nghiên cứu tổng quan cấu trúc, chức yêu cầu công nghệ yêu cầu điều khiển hệ thống điều khiển, giám sát trạm phát điện cố tàu thủy - Nghiên cứu xây dựng lưu đồ thuật toán điều logic cho chức hệ thống điều khiển, giám sát trạm phát điện cố tàu thủy - Đề tài xây dựng mơ hình vật lý vi điều khiển họ PIC Với tính vượt trội so với họ vi điều khiển khác, khả ứng dụng rộng rãi nó, tác giả chọn vi điều khiển PIC 16F877A, PIC thuận lợi cho việc truy nhập, tốc độ thực thi lệnh cao, có chứa nhiều phận ngoại vi, nhớ chương trình liệu tích hợp chip [10], [11], [15], [18] Phương pháp nghiên cứu Dựa lý thuyết, tài liệu phong phú nước nước đồng thời ứng dụng kỹ thuật tiên tiến đại vi xử lý, vi điều khiển Phân tích tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động chức hệ thống điều khiển, giám sát dùng rơ le Đi sâu tìm hiểu u cầu cơng nghệ điều khiển u cầu an tồn cho q trình điều khiển, giám sát Xây dựng lưu đồ thuật toán mạch điều khiển cho hệ thống điều khiển, giám sát trạm phát điện cố tàu thủy Xây dựng mơ hình vật lý cho hệ thống điều khiển, giám sát trạm phát điện cố tàu thủy để kiểm chứng kết nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Luận văn thực thành công, tạo hướng phát triển nghiên cứu, chế tạo thiết bị phục vụ ngành công nghiệp đóng tàu Đồng thời tiền đề để mở rộng phạm vi nghiên cứu, ứng dụng cho hệ thống tự động điều khiển, điều chỉnh với qui mô lớn tương lai Đề tài thành cơng, sản phẩm cải tiến trở nên hồn chỉnh việc đưa kết vào giảng dạy trường đại học, cao đẳng, trung học chuyên nghiệp cần thiết mang tính chất nghiên cứu ứng dụng khoa học Xây dựng mơ hình, cấu trúc phù hợp, điều khiển, lập trình, thay đổi tham số dễ dàng phù hợp theo yêu cầu công nghệ Sử dụng thiết bị sản xuất nước có ý nghĩa kinh tế lớn, góp phần chủ động sản xuất, giảm giá thành sản phẩm, đồng thời khơng ngừng nâng cao trình độ chun môn dần thay thiết bị ngoại nhập có tính tương đương CHƯƠNG TRẠM PHÁT ĐIỆN SỰ CỐ TÀU THỦY 1.1 Giới thiệu chung trạm phát cố tàu thủy 1.1.1 Giới thiệu chung Trạm phát điện cố bao gồm máy phát cố cấp điện tới Bảng điện cố tồn trạm phát cố đặt vị trí cao boong tàu, động lai máy phát cố diesel, máy phát điện cố máy phát xoay chiều đồng pha có giá trị điện áp tần số với máy phát chính, cấp điện lên bảng điện cố thông qua Áp tomat máy phát cố[1], [2] 1.1.2 Nhiệm vụ chức trạm phát cố tàu thủy Ở chế độ công tác bình thường máy phát cố khơng hoạt động bảng điện cố cấp điện từ bảng điện chính, Bảng điện điện, Bảng điện cố điện, máy phát cố tự động khởi động đóng điện lên Bảng điện cố, từ Bảng điện cố điện cấp trực tiếp đến phụ tải quan trọng mà khơng qua Bảng điện Giữa Áptomát từ bảng điện Áptomát máy phát cố có khóa liên động lẫn nhau, có nghĩa máy phát cố máy phát công tác song song[1], [2] 1.1.3 Yêu cầu trạm phát tàu thủy Trên tàu thuỷ vấn đề an tồn cho tàu, hàng hố tính mạng người quan tâm thiết kế Khi tàu khơng hồn tồn chủ động hoạt động trạm phát điện phải có tổ máy phát điện cố cung cấp điện cho phụ tải quan trọng Theo Qui phạm Đăng Kiểm Việt Nam 2003 (TCVN 6259: 4-2003) trạm phát cố phải thỏa mãn yêu cầu - Nguồn cố phải độc lập hoàn toàn với nguồn chính; - Vị trí đặt Các tổ máy phát điện cố thiết bị kèm phải đặt boong hở liên tục cao dễ dàng tới từ boong hở; - Công suất nguồn cố phải đảm bảo cung cấp cho tất hệ thống điện thiết yếu để đảm bảo an toàn trường hợp cố; - Đối với máy phát cố phải thỏa mãn yêu cầu sau + Động lai máy cố phải động diesel làm mát tự nhiên cưỡng hệ thống quạt gió, cung cấp nhiên liệu độc lập nhiên liệu có điểm chớp cháy không nhỏ 430C; + Các tổ máy phát điện cố phải tự động khởi động trạm phát điện, tự động đóng cầu dao cấp nguồn cố thời gian không 45 giây - Tuỳ theo công suất tổ máy phát điện cố mà phụ tải cung cấp Chỉ báo góc lái điện cho máy lái; Tay chuông truyền lệch; Hệ thống liện lạc điện vô tuyến; Hệ thống thiết bị dẫn đường da, máy đo sâu, thiết bị định vị; Ánh sáng cố; Hệ thống tín hiệu báo động chung; bơm cứu hoả, bơm cứu đắm ( có ) 1.2 Cấu trúc trạm phát cố tàu thủy 1.2.1 Cấu trúc chung trạm phát cố BẢNG ĐIỆN SỰ CỐ pha ACB pha ĐỘNG CƠ SƠ CẤP MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ PHA ACB pha pha b BẢNG ĐIỆN CHÍNH ĐIỀU KHIỂN Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc chung trạm phát điện cố Nguồn lượng trạm phát cố động diesel tốc độ thấp truyền động cho máy phát, ACB 1, chuyển đổi nguồn điện từ bảng điện nguồn từ máy phát cố nguồn cấp điện đến bảng điện cố Việc thực khởi động, dừng, báo động, bảo vệ trạm phát, chuyển đổi nguốn nguồn cố hệ điều khiển, giám sát thực tay tự động (hình vẽ 1.1) 1.2.2 Diesel làm động sơ cấp Động sơ cấp truyền động cho máy phát điện cố động diesel Động diesel loại động nhiệt thuộc loại động đốt kiểu piston Hỗn hợp nhiên liệu khơng khí cháy bên xilanh động cơ, khí cháy giãn nở đẩy piston chuyển động, thông qua cấu đặc biệt gọi truyền trục khuỷu, để biến chuyển động thẳng thành chuyển động quay sinh công quay máy phát điện cố Hệ thống khởi động động diesel điện ( khác trạm phát điện khởi động khí nén ) gồm Động điện khởi động động chiều kích từ nối tiếp cấp nguồn từ ac qui qua hệ thống khóa đề, rơ le phụ điều khiển từ xa tự động…; Hệ thống làm mát động gồm quạt gió gắn đồng trục với động làm mát nước kín tuần hồn sinh hàn; Hệ thống ổn định tốc độ động diesel dùng điều tốc khí, điều tốc điện tử Ngồi động sơ cấp có hệ thống phân phối khí; Hệ thống cung cấp nhiên liệu; Hệ thống hút khơng khí khí thừa; Hệ thống bôi trơn… 1.2.3 Máy phát điện đồng 1.2.3.1 Khái quát chung Máy phát điện cố thường sử dụng chủ yếu máy phát điện đồng xoay chiều ba pha, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ biến đổi thành điện Để máy điện đồng phát lượng điện xoay chiều cần phải có hai yếu tố Nguồn sơ cấp để quay rô to máy phát từ trường kích thích [1], [2] - Nguồn lượng sơ cấp ta dùng động diesel có tốc độ ổn định đảm bảo tần số máy phát điện khơng đổi khơng tải có tải; - Khi nguồn sơ cấp ban đầu đảm bảo khơng có từ trường biến thiên, máy phát phát điện Từ trường biến thiên ban đầu từ dư nam châm (ro to) sinh ra, ro to quay, từ dư quay gây nên sức điện động biến thiên Stato, sinh dòng điện biến thiên liên tục mạch Một phần điện áp chỉnh lưu để làm điện áp kích từ cho máy phát, q trình tự kích điện áp đầu cực máy phát đạt trị số điện áp định mức Máy phát điện đồng chia theo kết cấu roto gồm máy phát điện đồng cực ẩn; Máy phát điện đồng cực lồi; Máy phát điện đồng chia theo phương pháp cấp nguồn kích từ cho dây quấn roto gồm Máy phát điên đồng có chổi than; Máy phát điên đồng khơng có chổi than; Hiện tàu thủy thường sử dụng máy phát đồng cực lồi, tốc phù hợp tốc độ thấp diesel chủ yếu máy đồng không chổi than ưu điểm vượt trội so với loại máy phát đồng khác 1.2.3.2 Phương trình cân quan hệ điện từ a Phản ứng phần ứng máy phát điện đồng Khi dây quấn ba pha phần ứng nối với phụ tải, dây quấn có dòng điện ba pha Dòng điện tạo nên từ trường quay φ gọi từ trường phần ứng Từ trường phần ứng φ quay đồng với từ trường rôto φ o, tác dụng φ φ o gọi phản ứng phần ứng Tác dụng phụ thuộc vào giá trị dòng điện Stato I tính chất phụ tải máy phát cấp điện   - Trường hợp phụ tải trở (hình 1.2.a), véctơ E I pha Lúc φ trùng pha với I chậm sau φ o góc 90o Tác dụng φ lên φ o trường hợp gọi phản ứng phần ứng ngang trục Phản ứng làm méo dạng từ thông φ o  - Trường hợp phụ tải có tính chất cảm (hình1.2.b), I chậm sau  E góc 90o Lúc φ pha với I ngược chiều với φ o Tác dụng φ lên φ o trường hợp gọi phản ứng phần ứng dọc trục khử từ Phản ứng làm giảm từ thông máy phát   - Trường hợp phụ tải dung (hình1.2.c), I vượt trước E góc  90o, lúc φ pha với I φ o Tác dụng φ lên φ o trường hợp gọi phản ứng phần ứng dọc trục trợ từ Phản ứng làm tăng từ thông tổng máy phát a, O φο c, b, IEϕ N S O E φο N I S Ψ=90 O N φο N S φ I EO d, O Ψ=90 φ O φο O 90 E φq Ψ I φ S Hình 1.2 Đồ thị biểu diễn tác dụng phản ứng phần ứng máy phát điện đồng ba pha   - Trường hợp phụ tải (hình 1.2.d), I lệch pha với E góc ψ  Lúc ta có thê phân tích I thành hai thành phần Thành phần dọc trục I d = I.sinψ, tạo từ thông phần ứng dọc trục φ d ngược chiều chiều φ o tùy theo phụ tải có tính chất điện cảm hay điện dung Khi phụ tải có tính chất điện cảm, ψ > 0, φ d ngược chiều với φ o (h.1.2.d) làm giảm từ thông máy điện Ngược lại, phụ tải có tính chất điện dung, ψ < 0; φ d chiều với φ o làm tăng từ trường máy điện Thành phần thứ hai thành phần ngang trục Iq = I.cosψ tạo từ thơng phản ứng ngang trục φ q vng góc với φ o Tác dụng φ q lên φ o làm méo dạng từ thông máy b Phương trình máy điện Khi ψ dòng điện I phân tích thành thành phần dọc trục d ngang trục q Trong máy tồn phản ứng phần ứng dọc trục ngang trục Quá trình điện từ xảy sau I kt I φ kt Fkt E0 Id Fưd φ ưd Eưd Iq Fưq φ ưq Eưq φT E (1.3) ET IR - Sơ đồ tương đương máy phát điện đồng hình 1.3 I E0 X ud X uq XT R Eud Euq ET UR E U ZT Hình 1.3 Sơ đồ tương đương máy phát điện đồng ba pha 10 #bit SW2 = 0x08.1 #bit SW3 = 0x08.2 #bit SW4 = 0x08.3*/ /* #bit SW1 = 0x08.4 #bit SW2 = 0x08.5 #bit SW3 = 0x08.6 #bit SW4 = 0x08.7 #bit SW5 = 0x08.0 #bit SW6 = 0x08.1 #bit SW7 = 0x08.2 #bit SW8 = 0x08.3*/ int16 x; int16 y; int8 xx; int8 yy; int8 time_blink=0; int8 status=0; int8 time=0; int8 time_er=0; int8 timerx=0; int1 ON_OF=0; int1 Blink=0; int8 X1,X2,X3; int8 Y1,Y2,Y3; int8 led_index=0; int8 digit; int8 dem=0; int1 dem1=0; byte const DIGITS[] = {0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f}; const int8 U_LUOI_LOW =20; const int8 U_LUOI_OK = 60; const int8 U_MPHAT_LOW = 20; const int8 U_MPHAT_OK = 60; void display(void); #int_timer1 void interrupt_timer1() { disable_interrupts(int_timer1); 80 set_timer1(60000); dem++; if((dem%100)==0) { dem1++; if(dem1==0) {set_adc_channel(0); delay_us(10); xx=read_adc(); x=xx*2;} else {set_adc_channel(1); delay_us(10); yy=read_adc(); y=2*yy;} } if(Status==1) { if(time_blink330)&&(y330)&&(x